突出煤层保护层开采效果考察研究*

2022-09-28张玥

陕西煤炭 2022年5期

张玥

(河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003)

0 引言

煤与瓦斯突出对煤矿安全生产具有严重的危害性，需要对有突出危险性的煤层进行防突处理[1]。保护层开采是突出危险区防治煤与瓦斯突出的首选，对安全高效开采具有重要意义，但关键问题是如何科学、准确地确定被保护层受到采动作用后的防突效果。

国内外研究学者主要从开采保护层消突机理、消突效果等方面进行研究。结合蹬槽煤矿的工程实际情况，主要从蹬槽煤矿22041煤层工作面的煤层变形量[24]、透气性系数[56]、瓦斯抽采量[7]3个方面对保护层卸压效果进行分析考察，确定保护层对被保护层的防突效果，为保护层效果考察提供依据。

1 煤层及工作面概况

磴槽煤矿属于煤与瓦斯突出危险的矿井，且具有煤层群赋存特征，二1、一5、一3煤层为可采煤层。其中，矿井的主要开采煤层为二1煤层，煤层平均厚度为4.99 m；一5、一3煤层属于局部开采煤层，均位于二1煤层下部，一5、一3煤层分别上距二1煤层42.1 m和52.86 m。该矿井22采区一5煤层不具有煤与瓦斯突出危险性，且该煤层平均厚度为0.8 m，具备了开采保护层的条件。因此，磴槽煤矿将一5煤层22521工作面设计为保护层进行开采，同时被保护二1煤层22041工作面利用钻孔对22041工作面的瓦斯进行抽采，以此来降低被保护层22041工作面的瓦斯含量。磴槽煤矿本次试验区域为22采区的一5煤层的22521保护层工作面与二1煤层的22041被保护层工作面，煤层间距为42.1 m。其中，22521保护层工作面布置在22采区，标高为-126.8～-203.7 m，走向长249 m，倾斜长120 m，煤层倾角平均为30°，煤层厚度为0.6～1.2 m，平均煤厚为0.8 m。22041被保护层工作面位于22采区上部，设计走向长度350 m，倾向长度143 m，工作面由西向东进行回采。22041工作面二1煤层为较稳定煤层，煤层厚度为0.5～5 m，平均煤厚为3.3 m，煤层结构单一，不含夹矸，回采率按93%计算。煤层中西部厚东部薄、北部厚南部薄。煤层倾向为345°～355°，煤层倾角为28°～30°，平均倾角为29°。

2 保护层开采效果考察方案

2.1 煤层膨胀量考察方案

随着保护层22521工作面的开采，采空区顶板岩层冒落，引起岩层卸压，被保护层22041工作面将发生膨胀变形，膨胀变形量越大，说明被保护层22041工作面的卸压效果越好。为了考察保护层开采后被保护层最大卸压程度，在边界巷向22041工作面中部布置了2个膨胀变形测试钻孔，考察保护层保护边界附近的卸压程度，测定地点。1#孔在距22041底抽巷口向外102 m处，2#孔在距22041底抽巷口向外147 m处。具体位置如图1所示，膨胀变形量考察钻孔剖面如图2所示，具体钻孔测量方法如图3所示。

图1 膨胀变形考察钻孔平面布置Fig.1 Plane layout of drilling for expansion deformation investigation

图2 膨胀变形量考察钻孔剖面图(1#、2#)Fig.2 Drilling section for expansion deformation investigation(1#、2#)

图3 深部基点结构示意Fig.3 Schematic diagram of deep base point structure

2.2 透气性系数计算方案

钻孔流量法，煤层瓦斯径向流动的主要无量纲相似准数有流量准数Y与时间准数F0，其表达式为

(1)

(2)

式中，λ为煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)；q为t时刻的钻孔煤壁单位面积流量，q=Q/(2πr1L)，m3/(m2·d)；r1为钻孔半径，m；Q为在时间t时刻钻孔瓦斯流量，m3/d；L为钻孔煤壁长度，m；p0为原始煤层原始瓦斯压力，MPa；p1为钻孔排瓦斯时的瓦斯压力，一般为0.1 MPa；t为从瓦斯排放到测量瓦斯流量q时的时间间隔，d；α为煤层瓦斯含量系数，α=X/P0.5，m3/(m3·MPa0.5)；X为煤层瓦斯含量，m3/m3；P为煤层瓦斯压力，MPa；r为流场特征长度，m。

流量准数与时间准数的关系为

(3)

由于关系的复杂性，对于不同的取值范围，根据钻孔流量法，F0、ɑ、b具体取值和对应的透气性系数计算式见表1。

表1 钻孔径向流量法计算煤层透气性系数

2.3 瓦斯抽采原理

磴槽煤层结合矿井实际情况，利用22041底板抽采巷、22051西底板抽采巷及底抽巷联巷向22041工作面施工穿层钻孔，预抽二1煤层瓦斯；在22521工作面回采期间，同时利用穿层钻孔抽采二1煤层的卸压瓦斯。其抽采原理如图4所示。

图4 底抽巷抽采被保护层卸压瓦斯示意Fig.4 Schematic diagram of gas extraction from the protected layer for pressure relief in bottom-draining tunnel

3 考察结果分析

3.1 煤层膨胀量结果分析

为了考察保护层22521工作面开采后被保护层22041工作面的最大卸压程度，在边界巷向22041工作面中部布置了2个膨胀变形测试钻孔，考察保护层保护边界附近的卸压程度。1#孔在距底抽巷口向外102 m处，2#孔在距底抽巷口向外147 m处。1#孔与2#孔的顶底板变形量随保护层22521工作面进尺的变化曲线如图5、6所示。

图5 1#孔所测定的变形量随工作面进尺变化曲线Fig.5 Variation curve of the measured deformation of the 1# hole with the working face footage

图6 2#孔所测定的变形量随工作面进尺变化曲线Fig.6 Variation curve of the measured deformation of the 2# hole with the working face footage

从图5可以看出，当工作面未采过该钻孔时，1#考察孔膨胀量在处于压缩变形状态，最大压缩量0.67 cm，达到被保护煤层的2.03‰，当工作面采过1#观测孔8.3 m左右时，被保护层开始发生膨胀变形，随着工作面继续开采，1#观测孔在工作面采过该孔19.5 m时，膨胀量达到最大值，为4.98 cm，相对膨胀变形15.09‰。

从图6可以看出，2#考察孔膨胀量在工作面未采过该钻孔时，最大压缩量0.61 cm，达到被保护煤层的1.84‰。当工作面采过2#观测孔6.8 m左右时，被保护层开始发生膨胀变形，2#观测孔在工作面采过17.6 m时，膨胀量达到最大值，为3.32 cm，相对膨胀变形10.06‰。

结果表明，保护层22521工作面回采后，被保护层22041工作面最大膨胀变形量达到4.98 cm，相对膨胀变形达到15.09‰，大于3‰，卸压效果明显。

3.2 透气性系数计算结果分析

按照煤层透气性系数测定方法，测定了保护层保护层开采前后，被保护层工作面的原始瓦斯压力、残余瓦斯压力及钻孔流量，并结合式(1)～式(3)，计算了被保护层工作面的透气性系数，计算过程中用到的相关参数见表2。经计算可得，保护层开采前后，被保护层透气性系数由0.06～0.217 4 m2/(MPa2·d)增大到3.454 7～15.188 4 m2/(MPa2·d)，透气系数增长了57.5～69.8倍。

表2 计算透气性系数相关参数

3.3 瓦斯抽采结果分析

如图7所示，被保护层所施工的穿层钻孔中，约有588个钻孔抽采的是保护层开采后未被保护区域的瓦斯，约有380个钻孔抽采的被保护层卸压瓦斯。根据钻孔个数及表2所示的钻孔抽采量，可确定出卸压瓦斯抽采量占总瓦斯抽采量的79%。基于此，通过22521工作面回采期间被保护层瓦斯总的抽采量，随后乘以0.79，即可得出被保护层卸压钻孔所抽采的瓦斯量，具体数值如图8所示。

图7 穿层钻孔施工情况Fig.7 Construction of drilling through layers

22521工作面回采初期煤体受到应力集中的影响而压缩，二1煤的透气性和瓦斯抽采量会逐渐减小，工作面推进到约28 m处，穿层钻孔卸压瓦斯抽采量开始增大。随着保护层工作面的推进，被保护层卸压范围逐渐增加，当工作面推进距离大于80 m后，被保护层卸压抽采量在390 m3/d左右波动。被保护层瓦斯抽采总量达153 206 m3，其中，被保护层卸压瓦斯抽采量达121 033 m3。